基于雙電壓互感器的DPFC 線路距離保護新方法

曹建偉，黃志華，張新雨，劉 瑩，張 磊，李 斌

（1.國網浙江省電力有限公司湖州供電公司，湖州 313000；2.智能電網教育部重點實驗室（天津大學），天津 300072）

電網互聯致使我國電網運行特性日趨復雜，新能源發電的快速發展大大增加了潮流的控制難度，線路中功率阻塞和雙向潮流的問題日益突顯。由于電力電子技術的發展，柔性交流輸電系統FACTS（flexible alternative current transmission system）被提出，其通過在電網中加入電力電子器件來改變電路結構和電氣參數，提高交流系統的傳輸能力，增強穩定性[1-3]。統一潮流控制器UPFC（unified power flow controller）是當下功能最強大的潮流控制器。為了更加靈活快速地控制系統潮流，分布式潮流控制器DPFC（distributed power flow controller）因具有可分布式安裝、成本低等優點在2007年由荷蘭的Yuan 等[4]提出，其去除了UPFC 中用以交換有功功率的并串聯側換流器之間的公共直流電容。目前，國內外針對DPFC 接入電網的研究的主要方向為DPFC接入系統的潮流計算模型[5-6]、DPFC最優安裝地點和最佳容量[7-9]及DPFC 的控制策略[10-11]，然而針對DPFC接入對輸電線路對繼電保護的影響及相應改進方案的研究較少。

DPFC串聯側模塊接入影響了輸電線路阻抗分布的連續性，文獻[12]基于線路R-L串聯模型，引入誤差權重矩陣，增強了計算串補線路阻抗的穩定性。文獻[13]基于小波包熵的改進，對靜止同步串聯補償器所在線路保護的暫態電流進行分析，提出一種識別故障位置的方法并對距離保護的測量值調整。DPFC 接入輸電線路后與UPFC 接入線路后一致，均可改變線路參數，對繼電保護產生影響。文獻[14-16]指出UPFC 接入會改變測量阻抗，與故障位置、短路類型等因素有關，進而影響距離保護的正確動作。文獻[17]分析了UPFC 接入后對工頻變化量方向保護的影響，由于故障后UPFC 被快速隔離，在發生反向故障時會引起距離保護誤動。針對這些影響，許多文獻已經給出了解決方法，例如改變控制方式、利用人工神經網絡進行預測等。文獻[18]提出將人工神經網絡應用在故障期間，基于人工神經網絡的方法產生故障下的跳閘邊界，從而減小UPFC 接入的影響。文獻[19]中研究一種新的距離保護方法，新型距離保護I 段故障點到保護安裝位置的距離可利用R-L微分方程算法得到，與常規距離保護Ⅱ段、Ⅲ段配合以確使保護動作的正確性，利用保護安裝處到故障點距離的計算結果及結果的波動大小對區內故障和區外故障進行有效區分。文獻[20]提出了基于模糊邏輯的正序故障分量方向元件，對傳統方向元件的動作區域進行劃分，根據方向元件正序故障分量阻抗相角的落入區域，計算對應隸屬度和權重，利用綜合隸屬度來實現故障方向的判別。

本文首先對DPFC接入輸電線路后對工頻變化量方向保護及測量阻抗的影響進行分析，得到方向判別不準確和測量阻抗計算不準確的原因。為此，增加1 個電壓互感器，利用測得的DPFC 線路側電壓、母線側電壓及線路電流，綜合來進行故障方向判別及區內外故障識別。本文提出利用母線側電壓與線路電流計算工頻變化量阻抗來進行故障方向判別，利用線路側電壓與線路電流計算測量阻抗進行區內外故障識別，有效解決了單一電壓互感器無法兼顧故障方向判別及區內外故障識別的問題。

1 DPFC 的基本原理

DPFC由并聯側換流器、多個串聯換流器及輸電線路組成。線路兩端需要采用星角接線變壓器。圖1 給出了DPFC 的拓撲結構，其中三相換流器VSC1和單相換流器VSC2組成了并聯側的換流器，通過公共直流電容器連接。VSC1經由變壓器連接到電網的交流側，吸收有功功率，保持公共直流電容的電壓值。VSC2一端連接到線路首端變壓器的星側中性點，逆變產生3次諧波電流經中性點流入輸電線路。3次諧波電流被連接到線路末端變壓器的角側阻斷，并流過末端變壓器的星側中性點連接到大地，從而形成回路，不會流入外部系統。這確保了并聯側與串聯側換流器之間能量交換的穩定性。

DPFC串聯側換流器由多個單相換流器串聯組成，可在輸電線路上分布懸掛。為獲得有功支持，換流器吸收輸電線路上的3次諧波功率，根據電網要求，產生基頻電壓來對線路潮流進行調節。串聯側換流器利用分布式靜止串聯補償器DSSC（distributed static series compensator）的特點，由多個分布式的單相換流器構成，配置靈活，可靠性較高。DPFC 串聯側換流器可以從線路中的3次諧波電流獲取能量，確保串聯模塊直流電容電壓穩定，并且生成幅值和相位可變化的基頻交流電壓，從而調節線路潮流。

設為線路某點處的母線電壓，為DPFC串聯側換流器輸出到線路中的電壓。基于DPFC串聯側電壓幅值相角的不同情形，DPFC 主要具備電壓調節、相角調節、阻抗補償、綜合調節4 種功能，進而可以改變線路電壓的幅值、相角及線路的潮流，調節功能如圖2所示。

圖2 DPFC 的調節功能Fig.2 Adjustment function of DPFC

當DPFC 正常工作時，網絡中包含基頻與3 次諧波2個頻率的分量，可將其等效為可控電壓源[4]，并聯側與串聯側都有兩種頻率的電壓源，代表基頻與3次諧波，其等效電路如圖3所示。

圖3 DPFC 接入輸電線路的等效電路Fig.3 Equivalent circuit of transmission line connected with DPFC

串聯側換流器是多個換流器串聯，因此可以用1個同頻率的串聯側可控電壓源來代替同一頻率的

多組等效電壓源。線路首末兩端電壓分別為和，并聯側換流器等效的基頻和3次諧波電壓源分別為，并聯側變壓器等效電抗為Xsh，串聯側換流器等效的基頻和3 次諧波電壓源分別為，X為線路電抗。

不同諧波頻率下產生的有功功率相互獨立[21]，因此基頻與3 次諧波的有功功率彼此獨立。將等效電路分為工頻分量網絡與3次諧波分量網絡，兩個網絡相互獨立。3次諧波分量網絡主要為串聯側換流器提供有功功率，而調節線路潮流是在工頻分量網絡中進行。在基于工頻量的交流線路保護中，通過傅里葉濾波得到工頻分量，3 次諧波對于工頻交流保護測量的電氣信息沒有影響，因此考慮對線路保護的影響時將3 次諧波回路省略，只考慮DPFC串聯側基頻換流器的調節作用。

圖4 給出了DPFC 接入的工頻等效電路，其中ZT為DPFC 串聯側單匝變壓器的等效漏抗，為串聯側輸出電壓，分別為送端、受端系統等值電勢，ZM、ZN分別為系統等值阻抗，為并聯支路電流，為線路電流，ZL為線路阻抗。

圖4 DPFC 接入的工頻等效電路Fig.4 Power-frequency equivalent circuit with DPFC integration

2 DPFC 接入線路的故障分析

2.1 傳統工頻變化量方向保護元件

工頻變化量方向保護元件利用電壓故障分量與電流故障分量中的工頻分量，計算得到工頻變化量阻抗，運用其相角對故障方向進行判別。

圖5 簡化電力系統的故障附加網絡Fig.5 Fault additional network of simplified power system

當線路發生正方向故障時，即圖5 中f1點處故障時，其工頻變化量阻抗ΔZ可計算得到，即

從式（1）可以看出，正向故障時保護安裝處的工頻變化量阻抗為M側系統阻抗的相反數。

當線路發生反向故障時，即圖5中f2點處故障時，其工頻變化量阻抗ΔZ可計算得到，即

從式（2）可以看出，反向故障時保護安裝處的工頻變化量阻抗為線路阻抗ZL與N側系統阻抗ZN之和。

假設系統阻抗與線路阻抗的阻抗角相等且均為φ，則正方向故障時保護處的工頻變化量阻抗相角為φ+180°，反方向故障時保護處的工頻變化量阻抗相角為φ。因此，可以得到正、反方向故障判據如下。

式中，φsen為最大靈敏角，當φsen=φ時，繼電器動作最靈敏。

2.2 DPFC 接入對工頻變化量方向保護的影響

由于DPFC的接入改變了輸電線路的阻抗分布，距離保護處的測量阻抗也會受到影響。線路故障后，DPFC本體保護動作，使得DPFC串聯側模塊被旁路，此時DPFC串聯側模塊對線路保護不產生影響。但是，若DPFC 本體保護未動作，即DPFC 串聯側模塊仍串聯在線路中，則可能對線路保護產生影響。

如圖5 中的簡化電力系統所示，其中各元件的阻抗角基本相等，因此利用工頻變化量阻抗的相角可以正確判別故障方向。但是，DPFC 等電力電子裝置接入線路后，由于其串聯側與并聯側支路的阻抗形式無法具體確定，因此不能直接得到工頻變化量阻抗。利用工頻變化量的提取算法，可計算得到保護安裝處的工頻變化量阻抗為

DPFC串聯側換流器模塊接入對線路保護的影響程度與電壓互感器的安裝位置也有關，通過選取合適的安裝位置來減小DPFC接入的影響。這里選取兩個位置分別配置電壓互感器，在DPFC 串聯側模塊接入處，即在母線側配置電壓互感器TV1（圖4中位置1）；在DPFC串聯側模塊出口處，即在線路側配置電壓互感器TV2（圖4中位置2）。針對這兩個位置分別討論DPFC接入線路后對線路保護的影響。

2.2.1 電壓互感器安裝在位置1

對于位置1 處（即DPFC 串聯側模塊接入處），分析發生正向故障和反向故障時DPFC接入對工頻變化量方向保護的影響，為位置1處的電壓。

1）正向故障

對于位置1所在線路發生正向故障時，故障位置如圖4點f1所示。設分別為正向故障后DPFC串聯側模塊等效輸出電壓與DPFC 并聯支路電流，分別為正向故障后位置1處的電壓與線路電流。

正常運行時可得

發生正向故障時可得

由式（8）可得，位置1處的工頻變化量阻抗為

在故障發生后，由于并聯側換流器仍以靜止同步補償器方式運行，不提供短路電流，因此DPFC并聯支路電流變化量幅值遠遠小于故障電流變化量幅值，則式（9）可近似為

因此，在正向故障時，位置1 處的工頻變化量阻抗近似為M側系統阻抗的相反數，可正確識別正方向故障。

2）反向故障

對于位置1 所在線路發生反向故障時，故障位置如圖4 點f2所示。設為反向故障后DPFC 串聯側模塊等效輸出電壓，分別為反向故障后位置1處的電壓與線路電流。

式中：ZΣ=ZN+ZL+ZT；Zse為DPFC串聯側模塊對工頻變化量阻抗產生的影響。由式（14）可知，反向故障時工頻變化量阻抗受DPFC串聯側模塊等效阻抗的影響，當Zse為容性且|Zse|＞ |ZΣ|時，可能會導致其故障方向判別不正確。

綜上所述，位置1 處安裝電壓互感器可正確判別正向故障，對于反向故障判別有一定的不確定性。

2.2.2 電壓互感器安裝在位置2

對于位置2（即DPFC 串聯側模塊出口處），分析發生正向故障和反向故障時DPFC接入對工頻變化量方向保護的影響，為位置2處的電壓。

1）正向故障

對于位置2所在線路發生正向故障時，故障位置如圖4點f1所示。設為正向故障后位置2處的電壓。與電壓互感器安裝在位置1的推導過程類似。

正常運行時可得

發生正向故障時可得

利用工頻變化量的定義，式（16）減式（15）可得

由式（18）可以看出，當DPFC 串聯側模塊等效阻抗呈容性且|Zse|＞|ZM+ZT|時，工頻變化量阻抗會呈現感性，使得方向判別錯誤。在實際運行中，系統阻抗ZM的感性阻抗大小并不確定，而ZT的感性阻抗不是很大。因此，線路在發生正向故障時，位置2處可能會判斷不正確。

2）反向故障

對于位置2所在線路發生反向故障時，故障位置如圖4點f2所示。設為反向故障后DPFC串聯側模塊等效輸出電壓，為反向故障后位置2處的電壓。

由式（21）可得，位置2處的工頻變化量阻抗為

由式（22）可知，在反向故障時，位置2 處的工頻變化量阻抗為線路阻抗與N側系統阻抗之和，可正確識別反方向故障。

綜上所述，位置2 處安裝電壓互感器可以正確判別反方向故障，而對于正方向故障判斷不準確。

2.3 DPFC 接入對距離保護的影響

當線路發生故障時，若DPFC本體保護未動作，則DPFC串聯側模塊仍然串聯在線路中，由于DPFC串聯側模塊的等效阻抗可能呈感性或容性，從而使得測量阻抗的大小發生變化，進而引起距離保護的拒動或誤動。設l為故障點至保護安裝點之間的距離，Z1為單位長度線路的正序阻抗。

對于位置1（即DPFC 串聯側模塊接入處），分析DPFC接入線路對距離保護的影響。線路發生正向故障時，故障位置如圖4點f1所示，以三相短路故障為例，位置1測得的阻抗為

由以上推導可知，由于DPFC 串聯側模塊接入后產生的等效阻抗影響了輸電線路的參數，位置1處的測量阻抗產生1個增量誤差，誤差大小會受串聯側變壓器漏抗與串聯側換流器輸出電壓的影響，因此可能引起距離保護拒動或誤動。

對于位置2（即DPFC 串聯側模塊出口處），分析DPFC接入線路對距離保護的影響。線路發生正向故障時，故障位置如圖4點f1所示，以三相短路故障為例，位置2測得的阻抗為

由以上推導可知，位置2 處測得的距離阻抗與傳統距離保護的測量阻抗沒有區別，DPFC 串聯側模塊對測量阻抗沒有影響。

綜上所述，若電壓互感器安裝在DPFC 串聯側模塊接入處，則DPFC 串聯側模塊會影響距離保護動作的正確性；若電壓互感器安裝在DPFC 串聯側模塊出口處，則線路發生正向故障時故障回路不包含DPFC串聯側模塊，即不影響距離保護動作。

3 含DPFC 線路的保護判別新方法

針對第2 節分析的問題，由工頻變化量方向元件可知，位置1 處可正確判別正向故障，對于反向故障判斷有一定的不確定性。由于故障回路中包括DPFC 串聯側模塊，會改變原有等值阻抗，位置1處計算得到的測量阻抗受DPFC串聯側模塊等效阻抗的影響。位置2可以正確判別反方向故障，由于系統阻抗大小不確定，因而對于正方向故障判斷可能不準確，但正方向故障時故障回路中不包括DPFC串聯側模塊，對測量阻抗可以計算準確。

單一電壓互感器無法兼顧故障方向判斷正確與測量阻抗計算準確，因此需要同時利用位置1 和位置2 兩處的電氣量來進行保護的判斷。本文增加1 個電壓互感器，在DPFC 串聯側模塊接入處配置的母線側電壓互感器TV1（即圖4位置1），DPFC串聯側模塊出口處配置電壓互感器TV2（即圖4位置2），并配置線路電流互感器TA，共同組成保護元件。

通過對位置1 分析可知，利用工頻變化量阻抗可正確判別正向故障，但對于反向故障判斷有一定的不確定性。由式（14）可知，當DPFC 串聯側模塊等效阻抗呈容性且其幅值大于線路阻抗與系統阻抗之和的幅值時，方向元件會誤判為正向故障。然而，輸電線路呈感性阻抗，DPFC接入會改變輸電線路等效阻抗，但不會顛覆性地將線路由感性調整為容性。參考南京220 kV 西環網統一潮流控制器工程，對于220 kV電壓等級的輸電線路，UPFC串聯側換流器輸出電壓最大可達20 kV 左右。DPFC 與UPFC具有相同的調節功能，從UPFC類比來看，DPFC 串聯側換流器輸出電壓最大可達20 kV 左右。在這種情況下，式（14）中由于DPFC 串聯側模塊的接入而引起的阻抗增量Zse，雖其阻抗值可能呈容性，但由于線路阻抗值已知且很大，則|Zse|＜ |ZL|。系統阻抗值ZN雖是未知量，但其呈感性，因此|Zse|＜|ZL+ZN|，即Zse并未改變工頻變化量阻抗的感性性質，因此位置1處可正確判別反向故障。利用位置1 進行故障方向的判別，不依賴于系統阻抗，只需考慮與線路阻抗的關系。

綜合利用TV1與TV2兩處位置的信息，在進行方向判別時，利用TV1與TA 計算工頻變化量阻抗，通過對其阻抗角的判別來識別正反向故障。若識別為反向故障，則此時保護裝置不需要計算測量阻抗，距離保護不需要動作。若識別為正向故障，則利用TV2與TA 進行測量阻抗的計算，此時計算值與傳統距離保護的測量阻抗相同，區內外故障的判別方法與傳統距離保護判據相同。保護流程如圖6所示。

圖6 保護流程Fig.6 Flow chart of protection

4 仿真驗證

4.1 仿真模型

在基于工頻量的交流線路保護中，通過傅里葉濾波可以得到工頻分量，3 次諧波對于工頻交流保護測量的電氣信息沒有影響，因此在簡化建模中將3 次諧波回路省略，只考慮DPFC 串聯側換流器模塊的調節作用。在PSCAD/EMTDC 軟件中搭建DPFC 仿真模型，并聯側三相換流器采用三相MMC 換流器，串聯側將換流器等效為基頻可控電壓源與漏抗串聯的形式，電壓源的幅值和相角決定了調節功率的效果，漏抗為串聯側單匝變壓器等效漏抗。其簡化等效電路如圖4所示。送端、受端系統等值電勢分別為230 kV∠0°、230 kV∠-25°，系統阻抗ZM與ZN分別為1.15+j16.45 Ω、0.34+j6.45 Ω，等值阻抗角均為87°。并聯側變壓器變比為220 kV/20 kV，容量為60 MV·A，單匝變壓器的等效漏抗ZT為1 Ω。線路參數為0.012 1+j0.244 5 Ω/km。

根據仿真模型參數可確定線路阻抗角為87°，則正向、反向故障判據分別為

4.2 正方向故障

在基于工頻量的交流線路保護中，根據圖6 所示的保護流程，可先利用位置1處電壓互感器來計算工頻變化量阻抗，從而進行故障方向判別。若方向判別為正向故障，則再利用位置2處的電壓互感器來進行測量阻抗的計算，從而進行區內和區外的故障識別。假設線路發生正向故障，則在不同故障類型下位置1處的工頻變化量阻抗及其相角、位置2 處的測量阻抗、故障方向與區內外故障判別如表1 所示。其中仿真模型中線路總長度為200 km，設距離Ⅰ段保護線路全長的80%，則距離Ⅰ段整定阻抗值為1.94+j39.12 Ω。

由表1 中數據可知，線路發生正向故障時，位置1 處工頻變化量阻抗約為M 側系統阻抗值的相反數，其相角均位于-190°～-10°之間，滿足正方向動作判據，即位置1處可正確判別方向。然后再利用位置2處電壓互感器進行測量阻抗的計算，由表1中數據可知，在各類型故障情況下，都可以正確計算得到測量阻抗，即DPFC 串聯側換流器的等效阻抗不會產生影響，可正確判別區內外故障，距離保護不會拒動或誤動。

表1 正向故障時的仿真結果Tab.1 Simulation results under forward faults

4.3 反方向故障

假設線路發生反向故障，此時只需利用位置1判別出反方向故障，不需要再進行測量阻抗的計算。表2～表4 為線路總長度L分別為200 km、100 km、50 km時線路發生反向故障的仿真結果。

表2 反向故障時的仿真結果（L=200 km）Tab.2 Simulation results under reverse faults（L=200 km）

表3 反向故障時的仿真結果（L=100 km）Tab.3 Simulation results under reverse faults（L=100 km）

通過仿真驗證可知，位置1處利用工頻變化量阻抗相角可以正確判別故障方向。若判別故障方向為正向，則再利用位置2即可正確計算測量阻抗。

5 結論

本文針對DPFC 接入輸電線路后，單一電壓互感器無法兼顧故障方向判別及區內外故障識別的問題，提出了增加1個電壓互感器并基于線路側及母線側兩處位置的電氣量進行保護判別的方法。主要結論如下。

（1）在DPFC串聯側模塊接入處，即在母線側配置電壓互感器，利用工頻變化量方向元件可知，此位置可正確判別故障方向，但計算得到的測量阻抗受DPFC 串聯側模塊等效阻抗的影響。在DPFC 串聯側模塊出口處，即在線路側配置電壓互感器，此位置可以正確判別反方向故障，但由于系統阻抗大小不確定，使其對于正方向故障判斷不準確。正方向故障時故障回路中不包括DPFC 串聯側模塊，對測量阻抗可以計算準確。

（2）在原有單一電壓互感器與線路電流互感器的基礎上增加1 個電壓互感器，利用測得的DPFC線路側電壓、母線側電壓及線路電流，通過母線側電壓與線路電流計算工頻變化量阻抗來進行故障方向判別，通過線路側電壓與線路電流計算測量阻抗進行區內外故障識別，從而達到準確判別故障方向及區內外故障識別的目的。